JP2017537305A - 回転機械およびそのような機械を含むエネルギー変換のための設備 - Google Patents

Abstract

回転機械（１０）は、シャフト（２６）と、少なくとも、シャフト（２６）のピッチ軸（Ｘ１）、ヨー軸（Ｙ１）およびロール軸（Ｚ１）に沿ってシャフト（２６）の加速度を測定するための、または、ピッチ軸（Ｘ１）、ヨー軸（Ｙ１）およびロール軸（Ｚ１）の周りにおいてシャフト（２６）の角度位置を測定するための少なくとも１つの装置（２８）を備え、１つまたは各装置（２８）はシャフト（２６）に取り付けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、タービン、ポンプまたはポンプタービンなどの回転機械に関する。また、本発明は、液圧エネルギーを電気的または機械的エネルギーへと相互に変換するための設備に関する。また、本発明は、ガスタービン、蒸気タービンまたは風力タービンに適用することができる。

公知の方法では、液圧エネルギーを電気的エネルギーに変換するための設備は、少なくともタービンを含み、タービンの回転部分であるランナに第１の端部で接続されたシャフトを有する。また、設備は、タービンをグリッドに接続するための発電機を含む。発電機は、シャフトの第２の端部で接続されたロータを有する。そしてシャフトはその第１の端部で、ランナによって及ぼされる正トルクを受け、その第２の端部で、発電機によって及ぼされる負トルクを受ける。タービンシャフトは、流体軸受により支持され回転において案内される。油膜はシャフトと軸受の剛体との間に半径方向に挿入される。

タービンシャフトは、細長い形状を有する。その長さは実際に２０メートルを超えことがある。結果として、機械における欠陥は、シャフトの両端部で加わるトルクによって形成される励振下で重大な軸振動につながる。典型的な欠陥は、シャフトの軸受内のミスアライメント、クラック、機械のアンバランス、軸屈曲、捩じれである。

そして、機械の運転状況を評価するために、軸振動を監視することが重要である。例えば、新しい機械はより古い機械よりも振動が小さい。公知の方法は、シャフトと軸受剛体との間の半径方向の隙間を測定するために変位プローブを流体軸受に設置することである。これにより、シャフトが軸受油膜を破砕しないようにすることができる。また、加速度計（または速度プローブ）をシャフト軸受に埋め込んで、シャフトが局部空間基準の３方向に沿って軸受に対して及ぼす力を決定するようにすることができる。

この手法によって、機械の運転状況の最初の推定が提供される。しかしながら、ヨー軸、ピッチ軸およびロール軸それぞれの周りにおいて励振下でシャフトのモーダル応答を測定することは不可能である。結果として、シャフトの内部運動量を決定することができないので、軸捩じれ、屈曲または軸方向のポンピング挙動を検出し評価することは困難である。さらに、シャフト軸受に取り付けられた近接のプローブおよび加速度計（または速度プローブ）は、埋め込まれた回転基準軸システムで評価すべき軸振動を直接的に測定しない。これは、加速度および隙間を示す信号が多くのノイズを含むということを意味する。

さらに、タービンの性能を向上させるために、ロータとステータとの間の隙間を可能な限り減らすことが知られている。しかしながら、軸振動は、ロータがステータに接触していることを示唆する場合がある。これは摩擦現象と呼ばれる。摩擦現象は周囲ノイズによってしばしば隠れてしまうので、公知の振動監視方法を用いて検出することは困難である。それは軸受の損傷につながる可能性があり、それによって長期にわたる、費用のかかる予期しない機能停止を引き起こす。

国際公開第２０１３／１１０２１５号

本発明は、よりよく監視できる回転機械を提案することによってこれらの欠陥を克服することを意図している。

このため、本発明は請求項１記載の回転機械に関する。

本発明のおかげで、シャフトに取り付けられた、１つまたは各測定装置によって測定されたデータによって、機械のシャフトの動的挙動を完全に知ることができる。実際に、ピッチ軸、ヨー軸およびロール軸の周りにおいてモーダル応答または強制応答は、測定された角度位置および測定された加速度に基づいて、測定装置によって決定することができる。そして、他の中で軸捩じれ、異常屈曲または摩擦現象を検出することができる。さらに、シャフトがその細長い形状により、最も振動する機械構成部品であることを考えれば、測定は、振動源、つまりシャフトに直接実行されるので、シャフトに直接取り付けられた測定装置を使用することによって、ノイズを減少させることができる。測定された振動の振幅および周波数は、同様の励振状況下での新しい機械のもの、または有限要素シミュレーションなどの数値シミュレーションから獲得されたものと比較することができる。そして、機械検出は特定され、予防策が設けられて不具合を修正し、かつ完全な機械損傷を防止する。例えば、不良部品を交換または再配置することができる。

有利ではあるが必須ではない回転機械のさらなる態様は、請求項２から請求項１３に記載する。

本発明は、最終的に請求項１４記載のエネルギー変換のための設備に関する。

本発明は、ここで、本発明の対象を限定せずに例示的例として、本発明による回転機械を含むエネルギー変換のための設備の概略的断面を示す図１を参照して説明する。

図１は液圧エネルギーを電気的エネルギーへと変換するための設備１を示す。設備１は、回転機械１０、つまり例えば、液圧機械、特にカプラン型タービンを含む。カプラン型タービン１０はランナ１２を含み、ランナ１２は運転状況で、縦軸Ｚ１の周りで回転するよう構成され、かつ一連の可動ランナ羽根１６に設置されたハブ１４を含む。

カップリングフランジ１８はランナ羽根１６をそれぞれハブ１４に接続する。機械動作点を調整するために、カップリングフランジ１８は、軸Ｚ１に半径方向である軸Ｙ１６の周りにおいてランナ羽根１６をそれぞれ旋回させることができる。例えば、ランナ羽根１６は、ランナの回転速度を調整するために、特に、液圧機械１０をグリッドで同期または同期した後に負荷を変更するために旋回することができる。

ランナ１２は、下流に水を排出し、タービン２０の効率を上げるために設計されたドラフトチューブ２０の上部に収容される。ボリュート２２はランナ１２の周りに配置され、高速で給水される。実際に、ボリュート２２はたいてい、図示しない上流の貯水池から延在する図示しない水圧管に接続される。結果として、高ポテンシャルエネルギーで水がボリュート２２内で噴出する。後にランナ１２の羽根１６の間で水が流れ、それによってランナ１２を回転させる。ランナ１２の周りに循環している水の流動率は、ボリュート２２内に環状に配置された案内羽根２４によって規定される。案内羽根２４は軸Ｚ１に平行な軸の周りでそれぞれ回転して、タービン１０に入る水の流動率を減少または増加させる。

結果として、タービン１０は、案内羽根２４および可動羽根１６のそれぞれを互いにつなぐ２つの調整手段を含むので、二重調整タービンである。図１で、タービン１０を通って循環する水の流れは矢印Ｆによって表される。

ランナ１２は、軸Ｚ１を中心に置く回転シャフト２６の第１の端部で固定される。図１で、シャフト２６は長さにおいて部分的に表される。発電機ロータ３２は、軸Ｚ１に沿ったシャフト２６の長手方向でその第１の端部と対向する、シャフト２６の第２の端部で接続される。ロータ３２は発電機３０のステータ３４内で同軸上に配置される。

運転状況において、ランナ１２は第１のシャフト端部上で、正トルクＴ１を及ぼし、発電機３０は第２のシャフト端部上で負トルクＴ２を及ぼす。トルクＴ１およびトルクＴ２は軸Ｚ１上に加えられる。例えば、ランナ１２はエンジンとして機能し、発電機３０はブレーキとして機能する。

明細書を明瞭にするため、軸Ｘ’１、軸Ｙ’１および軸Ｚ’１のデカルト系を図１に表す。この軸Ｘ’１、軸Ｙ’１および軸Ｚ’１のデカルト系は固定される。

軸Ｚ１はシャフト２６の回転軸を表す。Ｘ１およびＹ１は、互いに垂直であり、軸Ｚ１に半径方向である２つの軸を表す。軸Ｘ１はシャフト２６のピッチ軸を表し、軸Ｙ１はシャフト２６のヨー軸を表す。軸Ｘ１、軸Ｙ１および軸Ｚ１はシャフト２６に内在し、これは、シャフト２６が任意の軸Ｘ１、軸Ｙ１および軸Ｚ１の周りで回転するとき、デカルト軸系に対して動いている軸系を形成するということを意味する。

流体軸受２１および流体軸受３５はシャフト２６の周りに配置される。図１の例では、２つの流体軸受２１が両端部に配置され、スラスト軸受３５はシャフト２６の中央に配置される。シャフトの両端部に配置された流体軸受２１は、軸Ｚ１の周りで回転するシャフト２６を案内する案内軸受である。シャフトの中央に配置された流体軸受３５は、軸Ｚ１の周りで回転するシャフト２６を支持するスラスト軸受である。案内軸受およびスラスト軸受は本体およびシャフトと軸受本体との間に半径方向または軸方向にそれぞれ置かれた油膜を含む。

新しい液圧機械または一新した液圧機械のシャフトは標準的な運転状況においてそれほど振動しない。しかしながら、摩耗し損傷した構成部品または特定の過渡水理現象は重大なまたは異常な軸振動につながり得る。例えば、機械の起動および機械の停止中に過渡水理現象が生じる。また、ポンプまたはタービンモードで機械を交換するときまたは、負荷、つまりトルクＴ１を案内羽根２４および／またはランナ羽根１６を動かすことによって交換するとき、過渡水理現象は生じる。他の過渡水理現象は、液圧タービンが大水を排出するための排出モードに設定されるときに生じる。本明細書では、軸振動は、それぞれ、ピッチ軸、ヨー軸およびロール軸に沿ってまたはそれらの周りにおいてシャフト２６の変位または回転に対応する。タービンシャフト２６は細長い形状および２０メートルを超え得る長さを有しているので、シャフトまたは機械におけるいかなる欠陥は、２つのシャフト端部で加えられるトルクＴ１およびトルクＴ２および他の損傷または過渡的励起によって形成される励振下で、重大な軸振動につながる。過渡的励起は上述の過渡水理現象から生じ得る。軸振動の周波数および振幅は、励起周波数および／または励起振幅に基づいて応答する。

典型的な損傷は流体軸受２１内のシャフトのミスアライメント、シャフトのクラック、機械のアンバランス、シャフトの屈曲である。振動は機械的損傷または摩擦現象による軸受破損につながり得る。

そして、液圧機械１０が初期不良を起こすときを検出するためにタービン１０を監視することが重要である。この目的で測定装置２８がシャフト２６に取り付けられる。より正確には、装置２８はシャフト２６の外面に埋め込まれる。それらはシャフト２６に沿って均等に分配される。装置２８によって、ピッチ軸、ヨー軸およびロール軸、それぞれＸ１、Ｙ１およびＺ１に沿ってシャフト２６の加速度を測定することができ、および、ピッチ軸、ヨー軸およびロール軸の周りにおいてシャフト２６の角度位置を測定することができる。シャフトの長さによって、１つの測定装置２８のみ使用することができる。

ロール軸Ｚ１の周りにおいてシャフト２６の角度位置は、軸Ｘ１と軸Ｘ’１との間の角度または軸Ｙ１と軸Ｙ’１との間の角度として画定される。ピッチ軸Ｘ１の周りにおいてシャフト２６の角度位置は、軸Ｚ１と軸Ｚ’１との間の角度または軸Ｙ１と軸Ｙ’１との間の角度として画定される。ヨー軸Ｙ１の周りにおいてシャフト２６の角度位置は、軸Ｚ１と軸Ｚ’１との間の角度または軸Ｘ１と軸Ｘ’１との間の角度として画定される。図１の構成では、軸Ｘ１、軸Ｙ１および軸Ｚ１はそれぞれ軸Ｘ’１、軸Ｙ’１および軸Ｚ’１に交絡する。結果として、シャフト２６は任意のピッチ軸、ヨー軸およびロール軸の周りにおいてシャフト２６の角度が０度である基準位置内にある。

各装置２８は３軸加速度計および３軸ジャイロメータを含む。３軸ジャイロメータは、光ファイバー式ジャイロメータまたはＭＥＭＳ式ジャイロメータであってよい。図１の２つの装置２８から生じる電波によって表されるように、Ｗｉ−Ｆｉ（登録商標）またはブルートゥースなどの無線技術を使用して、装置２８はそれぞれ、図示しない監視システムと通信することができる。また、装置２８はスリップリングを使用して監視システムと通信することができる。

監視システムは、ピッチ軸、ヨー軸およびロール軸の周りにおいて測定された角度位置に基づいて、ピッチ軸、ヨー軸およびロール軸の周りにおいて回転速度および回転加速度を決定することができる。これは、ジャイロメータまたは監視システムに組み込まれ、かつ回数に関して１回または複数回、角度位置を識別することができる計算機によって実行することができる。同様に、ピッチ軸、ロール軸およびヨー軸に沿ってシャフト２６の速度および変位はまた、これら３軸に沿って測定された加速度を１回または２回組み込むことによって決定することができる。シャフトの内力は、ピッチ軸、ヨー軸およびロール軸に沿ってシャフト２６の加速度から推定することができ、シャフトの内部運動量は、ピッチ軸、ヨー軸およびロール軸の周りにおいてシャフト２６の回転速度から推定することができる。したがって、監視ユニットは測定装置２８によって送られた情報に基づいて、タービンシャフトの完全な動的挙動を出力することができる。

そして、液圧機械１０の健康状態を評価することができる。例えば、タービンシャフト２６の動的挙動は、新しいまたは一新したタービンに属するシャフトの動的挙動と比較することができる。また、振動レベルは、タービン１０の経年に対して通常予測される振動レベルまたは有限要素シミュレーションなどの理論計算によって獲得される振動レベルと比較することができる。

例えば、監視ユニットは、工学知識に由来する入力振動しきい値として受け取る埋め込まれたデータ処理システムを含むことができる。これらの入力振動しきい値は、軸振動の特定の周波数帯域幅および最大振幅である。そして、監視システムは、振動振幅または振動周波数がこれらの振動しきい値外にあるとき、つまり、液圧機械１０が正常に動作していないとき、警告することができる。したがって、監視システムは、機械故障を検出するために、装置２８から受け取る測定値を処理することができる。

以下、監視システムに連結した測定装置２８の詳細な潜在的適用例である。

測定装置２８はシャフトのクラックまたは連結不良を検出するために使用することができる。実際には、シャフト２６に沿ってクラックは、シャフト２６の僅かな回転中にピッチ軸およびロール軸の周りにおいて回転速度振動を評価することによって検出される。クラックが回転中に交互に開閉するとき、回転速度振動はシャフト剛性の変化によって誘導される。装置２８がシャフト２６に沿って均一に分配されることを考えれば、シャフト２６のどの部分が最も影響を受けているか決定することもまた可能である。結果として、クラックはおおよそ、つまり２つの近接する装置２８の間で特定することができる。このため、監視システムは、埋め込まれたデータ処理システム、例えば各装置２８によって送られたデータを処理しかつ入力励起をおおよそ特定することができる、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を含むことができる。入力励起はシャフト２６の最も振動する部分に対応する。したがって、監視システムは、シャフト２６に沿って分配された異なる装置２８から受けられた測定値を比較することによって、シャフトの欠陥を特定することできる。装置２８が互いに近づくほど、入力励起はより正確に特定することができる。一般的に、少なくとも１つの装置２８が各シャフト部分のために取り付けられる。

装置２８によって測定された情報はまた、処理されて摩擦現象を検出またはシャフトのヨー応答、つまり捩じれを評価することができる。

さらに、装置２８はタービン１０と発電機ロータ３２との間の軸Ｚ１の周りにおいて位相差を評価するために使用することができる。また、装置２８は、特定の負荷、つまり特定のトルクＴ１のためのシャフト２６のせん断角を評価し、それを前記特定の負荷で予測されたもの、特に工場設計モデルで獲得されたものと比較するために役立つ。測定されたせん断角とこの特定の負荷で予測されるせん断角との間の大きな差は、機械損傷を示すことができる。また、連結不良は、連結前後でヨー角度位置を測定することによって検出することができ、入力は疲労モデルおよび残りの寿命計算を数えるために使用することができる。

また、装置２８は、ロータ励起によって誘導されたラジアル負荷下で、シャフトの挙動を測定することによって、機械の磁気アンバランスを検出するために使用することができる。

ブレーキシステムに備え付けられた設備の場合、後者の運転状況は装置２８を使用して評価することができる。具体的には、ブレーキシステムが効かないかどうかまたはそれがハードポイントを示すかどうかを決定することができる。

また、シャフトの動的屈曲は、ピッチ軸、ヨー軸およびロール軸の周りにおいて回転速度から推定されるシャフトの内部運動量を使用して評価することができる。

また、ロータ３２とステータ３４との間の隙間異常は、装置２８によって検出することができる。具体的には、ロータ３２がステータ３４と同心状にない場合、電磁力が偏心を増加させる方向に発生する。これは、不平衡磁気引張り力と呼ばれる。不平衡磁気引張り力は、ロータ３２がステータ３４に接触するときに生じる摩擦現象につながり得る。

シャフトの振動周波数は、どの励起周波数が振動スペクトルに存在するか決定するために分析することができる。例えば、シャフト部分がランナ１２のそれに近い周波数で強く振動するということが決定された場合、問題はランナ１２のスピン運動に由来するということが推定できる。

図示しない代替実施形態では、液圧機械１０はポンプまたはタービンポンプであってよい。

図示しない他の代替実施形態では、液圧機械１０はカプラン型タービンではなく、フランシス型、ペルトン型またはプロペラ型タービンなどの他の種類のタービンである。

図示しない他の代替実施形態では、回転機械１０は液圧タービンではなく、ガス、蒸気または風力タービンなどの他の種類のタービンである。

図示しない他の代替実施形態では、シャフト２６の第２の端部は、機械装置に接続される。この場合、トルクＴ２に類似した抵抗性トルクが第２のシャフト端部で加えられる。この抵抗性トルクは機械装置の負荷を表す。設備１はそして、液圧エネルギーを機械的エネルギーへのみ変換する。

図示しない他の代替実施形態では、１つまたは複数の装置２８はピッチ軸、ヨー軸、ロール軸に沿ってシャフト２６の加速度のみを測定する。

図示しない他の代替実施形態では、１つまたは複数の装置２８はピッチ軸、ヨー軸、ロール軸の周りにおいてシャフト２６の角度位置のみを測定する。

要約すると、装置２８は３軸加速度計および／または３軸ジャイロメータを含むことができる。

上述の本発明の異なる実施形態および代替実施形態の技術的特徴は、本発明の新たな実施形態を生み出すために互いに結合することができる。

１０ 回転機械
１２ ランナ
１４ ハブ
１６ ランナ羽根
１８ カップリングフランジ
２０ タービン
２１ 流体軸受
２２ ボリュート
２４ 案内羽根
２６ シャフト
２８ 測定装置
３０ 発電機
３２ 発電機ロータ
３４ ステータ
３５ 流体軸受

Claims (14)

1. シャフト（２６）を備える回転機械（１０）であって、前記機械（１０）はさらに、少なくとも、前記シャフト（２６）のピッチ軸（Ｘ１）、ヨー軸（Ｙ１）およびロール軸（Ｚ１）に沿って前記シャフト（２６）の加速度を測定するための、または、前記ピッチ軸（Ｘ１）、ヨー軸（Ｙ１）およびロール軸（Ｚ１）の周りにおいて前記シャフト（２６）の角度位置を測定するための少なくとも１つの装置（２８）を含むこと、および前記または各装置（２８）が前記シャフト（２６）に取り付けられることを特徴とする、回転機械（１０）。
2. 前記または各装置（２８）が前記シャフト（２６）の外面に埋め込まれることを特徴とする、請求項１記載の回転機械（１０）。
3. 前記または各装置（２８）が監視システムと通信することができることを特徴とする、請求項１または２記載の回転機械（１０）。
4. 前記または各装置（２８）がスリップリングまたは無線技術を使用して前記監視システムと通信することを特徴とする、請求項３記載の回転機械（１０）。
5. 前記監視システムが、機械の欠陥を検出するために前記または各装置（２８）から受け取る測定値を処理することができることを特徴とする、請求項３または４記載の回転機械（１０）。
6. 前記監視システムが、前記ピッチ軸（Ｘ１）、ヨー軸（Ｙ１）およびロール軸（Ｚ１）の周りにおいて前記シャフト（２６）の回転速度および回転加速度を算出することができることを特徴とする、請求項３乃至５のいずれか１項記載の回転機械（１０）。
7. 前記監視システムが、前記ピッチ軸（Ｘ１）、ヨー軸（Ｙ１）およびロール軸（Ｚ１）に沿って前記シャフト（２６）の速度および変位を算出することができることを特徴とする、請求項３乃至６のいずれか１項記載の回転機械（１０）。
8. 前記シャフト（２６）に沿って均一に分配された、いくつかの装置（２８）を含むことを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項記載の回転機械（１０）。
9. 前記監視システムが、前記シャフト（２６）に沿って分配された前記異なる装置（２８）から受け取る測定値を比較することによって、シャフトの欠陥を特定することができることを特徴とする、請求項５および８記載の回転機械（１０）。
10. 前記または各装置（２８）が３軸加速度計および／または３軸ジャイロメータを含むことを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか１項記載の回転機械（１０）。
11. 前記３軸ジャイロメータが光ファイバー式または微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）式ジャイロメータであることを特徴とする、請求項１０記載の回転機械（１０）。
12. 液圧機械（１０）であることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれか１項記載の回転機械（１０）。
13. ガスタービン、蒸気タービンまたは風力タービンであることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれか１項記載の回転機械（１０）。
14. 前記１乃至１３のいずれか１項記載の回転機械（１０）を含むことを特徴とする、液圧エネルギーを電気的または機械的エネルギーへと相互に変換するための設備（１）。